【正文】 的精確模型，易于控制不確定對(duì)象和非線(xiàn)性對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化有強(qiáng)魯棒性，對(duì)控制系統(tǒng)干擾有較強(qiáng)抑制能力。PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，明確，能滿(mǎn)足大量工業(yè)過(guò)程的控制要求，特別是其強(qiáng)魯棒性能較好適應(yīng)過(guò)程工況的大范圍變動(dòng)。即用過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài)(溫度偏差及溫度變化率)確定PID控制器參數(shù)，用PID控制率確定控制作用。其實(shí)質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般PID控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。它將生物進(jìn)化過(guò)程中適者生存規(guī)則與群體內(nèi)部染色體的隨機(jī)信息交換機(jī)制相結(jié)合，通過(guò)正確的編碼機(jī)制和適應(yīng)度函數(shù)的選擇來(lái)操作稱(chēng)為染色體的二進(jìn)制串1或0。基于遺傳算法溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是傳感器得到的溫度信號(hào)放大，數(shù)字化送入單片機(jī)，單片機(jī)將其與給定溫度進(jìn)行比較，用遺傳算法來(lái)優(yōu)化3個(gè)PID參數(shù)，然后將控制量輸出[2]。溫度測(cè)量是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科研等部門(mén)最普遍的測(cè)量項(xiàng)目。在生產(chǎn)和科學(xué)研究中，為了便于測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確一致，需要給物體冷熱程誤差較大，其測(cè)量范圍一般在400℃一3200℃。定量的描述。溫標(biāo)就是溫度的數(shù)值表示方法，它是借助于隨溫度變化而變化的物理量來(lái)定義溫度數(shù)值的。所以可以說(shuō)溫標(biāo)就是溫度的標(biāo)尺。溫度測(cè)量首先是由溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。溫度測(cè)量的過(guò)程就是通過(guò)溫度傳感器將被測(cè)對(duì)象的溫度值轉(zhuǎn)換成電的或其它形式的信號(hào)，傳遞給信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)處理轉(zhuǎn)換成溫度值顯示出來(lái)。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會(huì)不斷出現(xiàn)，目前，國(guó)內(nèi)外通用的溫度傳感器及測(cè)溫儀大致有以下幾種:。所謂膨脹法即是利用物質(zhì)的熱膨脹(體膨脹或線(xiàn)膨脹)性質(zhì)與溫度的固有關(guān)系為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的一種測(cè)溫方法。膨脹式溫度計(jì)按選用的物質(zhì)不同可分為液體膨脹式溫度計(jì)，氣體膨脹式溫度計(jì)(壓力式溫度計(jì))和固體膨脹式溫度計(jì)三大類(lèi)。固體膨脹式溫度計(jì)，按結(jié)構(gòu)又可分為雙金屬溫度計(jì)和桿式溫度計(jì)兩種。熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來(lái)測(cè)量溫度的一種感溫元件。常用的熱電阻有:銅電阻鉑熱電阻和鎳熱電阻。熱電偶測(cè)量溫度的基本原理是熱電效應(yīng)。在溫度測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。它屬于非接觸式測(cè)量?jī)x表，具有測(cè)量溫度高，反應(yīng)迅速，熱惰性小等優(yōu)點(diǎn)。在熱處理行業(yè)中常用來(lái)測(cè)量高溫鹽爐，油爐和煤氣爐的溫度，由于它的感溫部分不與測(cè)溫介質(zhì)直接接觸。這類(lèi)儀表有全輻射高溫計(jì)，單輻射高溫計(jì)和比色溫度計(jì)三種。因此，單片機(jī)廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)控制中。單片機(jī)對(duì)溫度測(cè)量控制過(guò)程是借助于傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及擴(kuò)展接口和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行的。因此需要對(duì)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展和開(kāi)發(fā)，來(lái)形成整個(gè)單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師[6]。這主要是我國(guó)的溫室技術(shù)興起的比較晚的緣故。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究和實(shí)驗(yàn),我國(guó)的溫室大棚技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在,已經(jīng)形成了比較完整和全面的體系。譬如說(shuō)對(duì)溫度因子的控制水平,控制精度以及控制穩(wěn)定性方面都有待于進(jìn)一步的提高。而生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、改善勞動(dòng)條件、保證生產(chǎn)安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段。采用單片機(jī)系統(tǒng)后，不再需要工人不停的對(duì)加熱爐進(jìn)行檢查。單片機(jī)可以對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，降低溫度加熱的滯后性，以此提高加熱的精度。，鍛煉企業(yè)技術(shù)人員的開(kāi)發(fā)、應(yīng)用能力。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用EDA軟件仿真，調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，對(duì)FPGA的編程在編譯后是轉(zhuǎn)化為FPGA內(nèi)的連線(xiàn)表，相當(dāng)于FPGA內(nèi)提供了大量的與非門(mén)、或非門(mén)、觸發(fā)器（可以用與非門(mén)形成吧）等基本數(shù)字器件。FPGA在抗干擾，速度上有很大優(yōu)勢(shì)。FPGA采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。方案二：采用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。單片機(jī)計(jì)算速度和性能有限，但在一些基本控制上搓綽綽有余。 在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)FPGA和單片機(jī)功能對(duì)比及本設(shè)計(jì)的要求，我們本學(xué)期已開(kāi)設(shè)對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)課，對(duì)它了解更多，決定采用單片機(jī)來(lái)作為控制器進(jìn)行中央處理，通過(guò)它來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，PID算法處理，控制對(duì)兩路光電耦合電路的選擇，控制PWM波的占空比來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。℃。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小, 適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)?！妗７直媛试O(shè)定，及用戶(hù)設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20工作原理:DS18B20的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線(xiàn)性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值?！妫?）可編程的分辨率為9～12位，℃、℃、℃℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫（7），12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快（8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線(xiàn)總線(xiàn)串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力（9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20的外形及管腳排列如下圖: 圖23DS18B20外形 圖24 DS18B20外形及仿真結(jié)構(gòu)圖DS18B20使用注意事項(xiàng):主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，在每一次讀寫(xiě)之前，都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，而且該復(fù)位要求主CPU要將數(shù)據(jù)線(xiàn)下拉500μs，然后釋放。主CPU收到此信號(hào)即表示復(fù)位成功。由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格地保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則，將無(wú)法正確讀取測(cè)溫結(jié)果。若單總線(xiàn)上所掛DS18B20超過(guò)8個(gè)時(shí)，則需要解決微處理器的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，因此，在進(jìn)行蓄電池單體多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)該問(wèn)題要加以注意。試驗(yàn)中，當(dāng)采用普通信號(hào)電纜且其傳輸長(zhǎng)度超過(guò)50 m時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。這種情況主要是由總線(xiàn)分布電容使信號(hào)波形產(chǎn)生畸變?cè)斐傻模虼?，在用DS18B20進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線(xiàn)分布電容和阻抗匹配問(wèn)題[7]。這樣，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線(xiàn)，在程序讀該DS18B20時(shí)就沒(méi)有返回信號(hào)，從而使程序進(jìn)入死循環(huán)。 ADC轉(zhuǎn)換器ADC0832ADC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。學(xué)習(xí)并使用ADC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高[8][9]。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆劃發(fā)亮。常用的LED顯示器有7段和“米”字管之分，有共陰極和共陽(yáng)極兩種。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。圖26 LED顯示結(jié)構(gòu)圖 鍵盤(pán)接口原理鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它具有最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，通過(guò)鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話(huà)。圖27 鍵盤(pán)接口結(jié)構(gòu)圖圖 溫度采集本設(shè)計(jì)采用數(shù)字傳感器DS18B20，DS18B20是一種可組網(wǎng)的單線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器，它采用單線(xiàn)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，集溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，直接輸出數(shù)字量，用一根I/O線(xiàn)就可以傳送數(shù)據(jù)與命令，其溫度測(cè)量范圍為55℃~+125℃，精度為+/℃，使用中無(wú)需外部器件，可利用數(shù)據(jù)線(xiàn)或外部電源提供電能，~，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)9~12位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)。具體接線(xiàn)如下： 圖28 溫度采集接線(xiàn)圖 顯示模塊：用來(lái)顯示所側(cè)得的溫度，由單片機(jī)輸入。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)可視面積大，畫(huà)面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在使用時(shí)，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護(hù)。一般采用動(dòng)態(tài)掃描的方式。數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高，稱(chēng)量快，精確可靠，操作簡(jiǎn)單。 根據(jù)以上的論述，采用方案二。插座的輸入端與單片機(jī)的I/O相接。在電源輸入端接入濾波電容器。圖給出了單片機(jī)系統(tǒng)中幾個(gè)重要芯片的連接原理圖，其他部分電路如單片機(jī)最小系統(tǒng),溫度測(cè)量電路,鍵盤(pán)電路,數(shù)碼顯示電路,外部加熱爐電路。設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，在硬件平臺(tái)確定之后，就可以通過(guò)設(shè)計(jì)不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同的單片機(jī)功能。由于選用專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)軟件，必須具有一定的單片機(jī)以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備配合使用[11][12]。控制算法中，當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際溫度值相差大于10℃時(shí)，控制電爐的輸出功率為全功率，當(dāng)兩者相差小于10℃時(shí)采用比例控制，并在相差10~5℃時(shí)采用不同參數(shù)的比例控制，小于5℃時(shí)采用比例積分控制,直至實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相同時(shí)停止控制，程序進(jìn)入等待控制狀態(tài)，如果溫度降到設(shè)定值以下則又開(kāi)始控制。模塊是定義了輸入和輸出，具有一定特性的程序?qū)嶓w。模塊化結(jié)構(gòu)是所有設(shè)計(jì)良好的軟件系統(tǒng)的基本特點(diǎn)，任何一個(gè)大的程序系統(tǒng)，總是由若干功能相對(duì)獨(dú)立的模塊組成[13]。模塊化設(shè)計(jì)要盡量使模塊的劃分合理。模塊之間耦合盡可能少，說(shuō)明各模塊獨(dú)立性（Module Independence）好，接口少，減少了相互間的訪(fǎng)問(wèn)，也減少了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。各模塊內(nèi)聚性高說(shuō)明該模塊有一個(gè)專(zhuān)一的任務(wù)，劃分合理，能提高開(kāi)發(fā)效率[14][15]。系統(tǒng)程序的主要功能為模塊劃分的標(biāo)準(zhǔn)，其他包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)比較等功能。控制算法中，當(dāng)設(shè)定值與實(shí)際水溫值相差大于10℃時(shí)，控制電爐的輸出功率為全功率，當(dāng)兩者相差小于10℃時(shí)采用比例控制，并在相差10~5℃時(shí)采用不同參數(shù)的比例控制，小于5℃時(shí)采用比例積分控制,直至實(shí)際水溫與設(shè)定水溫相同時(shí)停止控制，程序進(jìn)入等待控制狀態(tài)，如果水溫